摘要
二氧化钒（VanadiumDioxide,VO）具有独特的金属-绝缘体相变（Metal-to-
2
InsulatorTransition,MIT）特性，可以通过多种物理场对其相变过程进行高速有效
的控制。这一特性使得VO2在高速开关器件领域有着广阔的应用。然而VO2的相
变机制复杂，且相变温度较高（约68℃），具有较高的开关阈值。因此，提高薄
膜的红外开关特性以提高实用性，降低薄膜的相变调控阈值以提高节能效率等，
均是目前开关器件中亟待解决的关键问题。
针对上述问题，本工作从VO2电致相变的机制入手，通过对电场电极与加热
回路进行独立设计，实现了基于电致相变的自控温VO2薄膜红外开关器件。采用
高分子辅助沉积法制备了VO2薄膜，通过紫外纳秒激光及微掩膜工艺对器件的金
属层进行了图形化加工。对所制备的VO2薄膜的元素价态、晶格结构、光学性能
和电学性能进行了表征，并分析了厚度对VO2表面形貌及光学性能的影响。进一
步通过变温拉曼光谱探测了VO2薄膜在相变过渡阶段相分数的变化，通过将其与
红外透射率的变化进行对比，发现VO2薄膜的红外透射率所具有的突变特征实质
为VO2内部金属畴相分数存在渗流阈值的宏观表现，渗流阈值约为1/3。此外，
为解决VO2器件调控所需电压较高的问题，集成了自控温设计，利用加热回路对
VO2薄膜施加稳定热场，以降低相变的势垒。进一步，通过控制叉指电极的间距
增强电致相变的场强，分析了不同外加电压下器件的可逆相变特性和红外光调制
规律。在此基础上，本工作提出了一种热电协同调控相变的有效方法，即通过自
控温设计使得器件处于渗流阈值点，此时利用电致相变可以实现对VO2相变的高
速控制，进而实现了多场调控下的器件性能优化。对比单一热场调控实现了快速
调控，该器件响应时间最高提升95%；对比单一电场调控实现了低压调控，相同
响应时间下该器件调控电压降低了82.5%，且响应时间最高提升了66%。
本工作所提出的热电协同调控红外开关器件既为红外波段的开关控制提供了
一种有效的控制方法，同时也为研究集成多种物理场响应模式的VO2薄膜及敏感
元件相变器件的开发提供了一种新思路。
关键词：二氧化钒，电致相变，红外开关，多场调控
ABSTRACT
Vanadiumdioxide(VO)hasuniquemetal-insulatorphasetransition(MIT)
2
characteristics,whichcanbeeffectivelycontrolledbymultiplephysicalfields.Itisthis
characteristicthatmakesVOhaveabroadapplicationprospectinthefieldofhigh-speed
2
switchingdevices.Therearesomeoutstandingissuesdemandingresolutionforfuture
application—therelativelyhighphasetransitiontemperatureofVOfilms(about68℃),
2
themultiphasecoexistingofvanadiumoxide,theunsettledphasetransitionmechanism
andthehighmodulationthreshold,etal.Therefore,improvingtheinfraredswitching
char